Передача сигнала по оптоволокну

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. ПЕРЕДАЧА СИГНАЛА ПО ОПТОВОЛОКНУ
• 1.1 Основные понятия
• 1.2 Шаги модултрования
• 1.3 Метод дельта-модуляции
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

• ВВЕДЕНИЕ
• Для передачи по одному оптоволокну одновременно нескольких независимых сигналов применяются методы временного и частотного уплотнения сигналов. Для этого в оптоволоконные системы наиболее часто устанавливают оптические мультиплексоры с частотным (спектральным) разделением каналов, которые объединяют несколько передаваемых сигналов в один. Каждый источник сигнала передается лучами с различными длинами волн. Эти лучи проходят по оптоволоконной линии независимо и не взаимодействуют друг с другом. Такой вид модуляции называется WDM (wavelength division multiplexing). Он повышает пропускную способность оптоволоконной системы и позволяет осуществлять одновременную двунаправленную передачу информации.
• Другие виды модуляции оптического сигнала, которые используют оптоволоконные системы:
• частотно модулированное частотное мультиплексирование FM-FDM (frequency-modulated frequency division multiplexing),
• амплитудная модуляция с частично подавленной боковой полосой,
• частотное мультиплексирование AVSB-FDM (amplitude vestigial sideband modulation, Frequency division multiplexing) - обеспечивает одновременную передачу по одной оптоволоконной линии до 80 каналов.
• Импульсно кодовая модуляция, частотное мультиплексирование PCM-FDM
• Комбинации вышеперечисленных методов модуляции.
• Для создания оптоволоконной системы видеонаблюдения АРМО-Системы предлагает широкий спектр оборудования компании IFS, включающий передатчики и приемники видеосигнала, мультиплексоры, трансиверы, повторители, разветвители и др.

• 1. ИМПУЛЬСНО-КОДОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ
• 1.1 Основные понятия

В цифровых АТС звуковые сообщения методом импульсно-кодовой модуляции преобразуются в последовательность двоичных кодов. Обработка двоичных кодов, а не сигналов переменной амплитуды, задача более простая и гибкая, что и обусловливает значительное расширение функциональных возможностей цифровых АТС. После обработки и коммутации цифровые сигналы преобразуются обратно в аналоговые и подаются во внутреннюю абонентскую линию. Цифровые АТС существенно дороже аналоговых, но имеют хорошие перспективы при создании корпоративных цифровых сетей интегрированного обслуживания (ISDN), - интенсивно развивающихся систем, в которых АТС являются звеном единой сети передачи данных и аудио-, видеоинформации. Цифровые АТС могут быть рекомендованы в качестве офисных и учрежденческих при абонентской емкости более 100-150 портов. [1]

Одной из задач, выполняемых в ходе импульсно-кодовой модуляции (pulse-code modulation - PCM), является преобразование исходных сигналов в дискретные двоичные последовательности. Эта задача производится с помощью трехэтапного процесса - дискретизации, квантования и кодирования. Отметим, что процесс кодирования, следующий за квантованием, часто воплощается на аппаратном уровне и выполняется тем же устройством, что и квантование. Вообще, процесс может быть описан следующим образом: последовательная аппроксимация аналого-цифровых преобразователей образует последовательные биты декодированных данных с помощью обратной связи, сравнения и процесса принятия решения. В процессе обратной связи постоянно задается вопрос, входной сигнал находится выше или ниже средней точки остаточного интервала неопределенности. С помощью этой технологии интервал неопределенности сокращается до половинного на каждом шаге сравнения и принятия решения до тех пор, пока интервал неопределенности не совпадет с допустимым интервалом квантования. [2]

Радиотехнические системы для обеспечения помехоустойчивости часто используют импульсно-кодовую модуляцию, которая непосредственно влияет на устройства задержки. Это же относится и к системам временного уплотнения каналов различных линий связи. Передающие и индикационные устройства, блоки пеленгования и автоматического сопровождения цели радиолокационных установок содержат различные типы линий задержки, параметры которых в значительной степени определяют точность их работы. В последнее время устройства задержки находят применение в блоках первичной обработки информации. [3]

1.2 Шаги модулирования

Импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ) называется представление информационного сигнала дискретными отсчетами, взятыми по условиям Котельникова и представленными, в свою очередь, в квантовом виде. Таким образом, процесс импульсно-кодовой модуляции содержит два этапа: сначала сигнал дискретизируется и затем полученный дискретный отсчет квантуется, т.е. делится на части. На рис. 1 представлены процедуры дискретизации и квантования.

На рис. 1а представлена исходная немодулированная импульсная последовательность (в соответствии с теоремой Котельникова T?1/2F_в, что для телефонного сигнала с полосой 0,3ч3,4 кГц составляет Т=1/6,8 кГц) Для повышения точности частота дискретизации выбрана по рекомендации МККТТ - 8 кГц, тогда Т = 1/8 кГц = 125 мкс. На рис. 1б представлен информационный сигнал, а на рис. 1в этот сигнал дискретизирован и представлен своими отсчетами. На рис. 1г эти дискретные отсчеты проквантованы (разделены на отрезки) и на рис. 1д представлен численными значениями в двоичном коде с помощью бинарного сигнала (0;1). Неточное совпадение величины отсчета с цифровой сеткой образует "остатки" е(t) (рис. 1е), которые в силу случайности создают шум квантования.

Размещено на http://www.allbest.ru/

а)

Размещено на http://www.allbest.ru/

б)

Размещено на http://www.allbest.ru/

в)

Размещено на http://www.allbest.ru/

г)

Размещено на http://www.allbest.ru/

д)

Размещено на http://www.allbest.ru/

е)

Рис. 1

частотный дискретный цифровой оптоволокно

Шаг квантования ? определяет точность числового представления отсчета. Обычно шкалу квантования применяют нелинейную, для малых сигналов она мелкая, для больших - крупная. Этому способствует применение, так называемого, компандирования, которое включает в себя два этапа: сжатие (компрессию) динамического диапазона при передаче и расширение (экспандирование) его при приеме. По рекомендациям МККТТ количество разрядов двоичного числа для квантования уровня отсчетов принято равным 8.

Первый разряд несет информацию о знаке отсчета (+ или -), три последующих оценивают отсчет по грубой шкале 2³ = 8 уровней в положительной и 8 уровней в отрицательной областях нахождения отсчета (причем уровни эти, называемые сегментами, неравномерны, для малых сигналов малы, для больших сигналов постепенно увеличиваются). Четыре оставшихся разряда представляют более подробный анализ уровней отсчетов, своеобразную "лупу" - 2⁴ = 16 равномерных уровней квантования в том сегменте, который определился первыми тремя разрядами. Естественно, что шкала этой "лупы" в зависимости от номера сегмента разная. Шум квантования (см. рис. 1е) ограничивает снизу динамический диапазон преобразования сигнала (максимальная величина "остатка" несовпадения отсчета не превышает ?/2 - половины шага квантования).

Спектральный состав ИКМ сигнала определяется элементарными импульсами, представляющими восьмиразрядное двоичное число. Обычно период дискретизации Т₀ = 125 мкс делится на восемь участков, и в каждом участке располагается один возможный импульс, составляющий "1", занимающий 0,5 этого участка, т.к. вторая половина отведена под защитный интервал. Из этого следует, что полоса частот ИКМ сигнала значительно шире, чем для АМ сигнала при прочих равных условиях. Итак, для телефонного сигнала полоса ИКМ больше соответствующей полосы АМ сигнала не менее чем в 16 раз (а при дополнительных условиях еще больше). Это один из существенных недостатков системы ИКМ. Если принять полосу частот для АМ-ОБП в 4 кГц, то для ИКМ будет 64 кГц, что соответствует скорости передачи цифрового канала в 64 кбит/с.

Для снижения занимаемой полосы и уменьшения количества разрядов (т.е. импульсов) можно применять дифференциальную импульсно-кодовую модуляцию ДИКМ, которая передает не абсолютное значение отсчета, а только разницу между предыдущим и настоящим отсчетами (так, например, на рис. 1д разница между вторым и третьим отсчетами составляет один разряд двоичного числа, а между третьим и четвертым вообще разница равна нулю). Такой подход позволяет существенно уменьшить разрядность передаваемого числа. Можно проанализировать систему ДИКМ на основе принципа предсказания, т.е. по предыдущим отсчетам можно с некоторой долей вероятности "предсказать" следующий отсчет (таких предыдущих отсчетов по рекомендации МККТТ-6-721 нужно 6).

Существует значительное число схем, реализующих систему ДИКМ. Проблемой может быть начальный отсчет, но по истечению некоторого срока передачи эта проблема снимается. Кроме того, при передаче случайного сигнала, каковым является телефонный сигнал, предсказатель позволяет иногда реже снимать отсчеты, что эквивалентно снижению скорости передачи (т.е. эффективной ширины спектра сигнала).

Системы с изменяющимся шагом опроса являются адаптивными (т.е. приспосабливающимися к реальным условиям) и образуют адаптивную дифференциальную импульсно-кодовую модуляцию АДИКМ. За счет снижения числа разрядов и адаптивного алгоритма модуляции удается снизить скорость передачи телефонного сигнала в 2 раза с 64 кбит/с до 32 кбит/с (т.е. полосу частот, занимаемую АДИКМ сигналом снизить до 32 кГц, что только в 8 раз больше полосы, отводимой для АМ-ОБП).

1.3 Метод дельта-модуляции

Дальнейшее развитие методов ИКМ привело к созданию метода дельта-модуляции (ДМ). При увеличении частоты дискретизации различие между соседними отсчетами уменьшается и может дойти до значения, передаваемого одним разрядом двоичного числа. При этом непрерывная исходная информационная функция аппроксимируется ступенчатой одношаговой функцией, как приведено на рис. 2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

а)

Размещено на http://www.allbest.ru/

б)

Рис. 2

На рис. 2а приведен передаваемый информационный сигнал со ступенчатой функцией, а на рис. 2б передаваемая импульсная последовательность, которую можно отразить в двоичной системе (0,1) одним разрядом. Как видно из рис. 2а, при передаче полезного сигнала возможны ошибки, связанные с недостаточной скоростью дискретизации (ступенчатая функция отстает от передаваемого сигнала). Для устранения этого явления необходимо на отдельных временных участках увеличивать частоту дискретизации. Таким образом, мы приходим к понятию адаптивной дельта-модуляции АДМ.

По сравнению с ИКМ сигнал ДМ имеет повышенную частоту дискретизации, но меньшее число разрядов (в 8 раз). При этом частота следования импульсов, отражающих разряды двоичного числа дискретных отсчетов, примерно одинакова, техническая реализация ДМ модуляции значительно проще, а шум ложных импульсов реже.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Импульсно-кодовая модуляция (Pulse Code Modulation) - самый популярный метод перекодировки аналогового голосового сигнала в цифровой поток единиц и нулей. Все методы выборки основаны на теореме Найквиста, согласно которой для достижения наилучшего качества при передаче голосовых данных следует проводить выборку с частотой вдвое выше, чем в голосовом канале.

Процесс импульсно-кодовой модуляции проходит следующим образом:

1. Аналоговый сигнал пропускают сквозь фильтр низкой частоты, чтобы удалить все, что имеет частоту свыше 4000Гц. Частоту фильтруют до 4000 Гц для того, чтобы ограничить объем голосовых данных, передаваемых по сети. Согласно теореме Найквиста, для достижения хорошего качества передачи голоса выборку необходимо осуществлять с частотой 8000 выборок в секунду.

2. Отфильтрованный аналоговый сигнал подвергается выборке с частотой 8000 раз в секунду.

3. После выборки сигнал преобразуется в дискретную цифровую форму. Полученный код означает амплитуду сигнала в момент, когда происходила выборка. Телефонная разновидность PCM использует код из восьми битов и логарифмический метод сжатия, который предоставляет больше битов для сигнала меньшей амплитуды.

Если умножить восьмибитовые слова на частоту 8000 выборок, получим скорость передачи 64000 бит в секунду. Таким образом, базовая скорость телефонной инфраструктуры составляет 64Кбит/c. Общепринятыми сейчас являются два основных варианта PCM на 64Кбит/c - u-стандарт, используемый в Северной Америке, и а-стандарт, принятый в Европе. Оба они используют логарифмический метод сжатия, чтобы достичь 12-13-битового качества канала PCM при всего лишь восьмибитовых словах, отличаются незначительными деталями. Метод u-стандарта имеет небольшое преимущество перед методом а-стандарта по низкоуровневой производительности и отношению шум/сигнал.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Прокис Дж. Цифровая Связь. Перевод с английского под редакцией Д.Д. Кловского. - М.: Радио и связь. 2000.

2. 3. Теория электрической связи под редакцией Д.Д. Кловского М.: Радио и связь 1998.

3. "Волоконно-оптическая техника", Технико-коммерческий сборник. М., АО ВОТ, N1, 1993.

4. Гольдфарб "Волоконно-оптические кабели" Итоги науки и техники, сер. "Связь", т.6, 1990.

5. "Волоконно-оптические линии связи" Справочник. под ред. Свечникова С.В. и Андрушко Л.М., Киев "Тэхника", 1988

6. "Зарубежная техника связи", сер. "Телефония, телеграфия, передача данных", ЭИ вып. 11-12, 1991

Размещено на Allbest.ru